Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 TERMODINÂMICA QMC5405.Físico_Química A Departamento de Química Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Química Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Química Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Química Universidade Federal de Santa Catarina http://quimica.ufsc.br/minatti Enquanto isso, no laboratório... 2 3 TERMODINÂMICA • A ciência da Energia –Formas e transformações de energia – Interações entre energia e matéria • Energia: capacidade de realizar mudanças; capacidade de realizar trabalho. • Do grego: therme : calor dynamis: poder, força Sadi Carnot (1796-1832): O pai da termodinâmica. Desenvolveu o raciocínio termodinâmico discutindo a eficiência de máquinas térmicas. 4 Termodinâmica. DEFINIÇÕES 2. ESTADOS de equilíbrio: 1. Sistemas, Fronteiras, Vizinhanças e Universo: 3. Funções de ESTADO: 0. Propriedades Termodinâmicas Intensivas e Extensivas: 4. Lei ZERO da Termodinâmica: Tipos de SISTEMAS Sistemas Isolados: são completamente isolados do ambiente. Não trocam calor, trabalho ou matéria com as vizinhanças. São ideais, mas para fins práticos podemos considerar vários sistemas reais como sendo isolados. Sistemas Fechados: trocam energia (calor ou trabalho) com as vizinhanças, mas não trocam matéria. Uma estufa é um exemplo de sistema fechado. Um frasco fechado também. Sistemas Abertos: trocam energia (calor ou trabalho) e matéria com as vizinhanças. O oceano é um exemplo de sistema aberto. Uma reação química em um becker também. 5 Tipos de FRONTEIRAS Fronteiras Adiabáticas: não deixam passar calor entre sistema e vizinhanças. Uma garrafa térmica, em rude aproximação, é uma fronteira adiabática. Fronteiras Diatérmicas: deixam o calor passar entre sistema e vizinhanças. Um erlenmeyer, por exemplo, é uma fronteira diatérmica. Fronteiras Permeáveis: deixam matéria (e calor) passar entre o sistema e vizinhanças. A pele humana é um bom exemplo. 6 7 8 9 Que tipo de sistema é este? E qual é o tipo de fronteira no sistema? PROCESSOS Termodinâmicos Processo Isobárico: ocorre a p constante Processo Isocórico (isométrico ou isovolumétrico): ocorre a V constante Processo Isotérmico: ocorre a T constante Processo Isentrópico: ocorre a S constante Processo Isentálpico: ocorre a H constante Processo Adiabático: sem ganho ou perda de calor. Processo: evolução do sistema de um estado termodinâmico inicial para um estado termodinâmico final. 10 ESTADOS Termodinâmicos Quando um sistema está em equilíbrio – isto é, suas propriedades termodinâmicas não variam com o tempo, diz-se que ele está em um determinado Estado. O estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas variáveis termodinâmicas. Quanto mais complexo o sistema, maior o número de variáveis. Funções de Estado: independem do caminho, somente dependem da diferença entre os estados. 11 INSTRUMENTOS Termodinâmicos Dois tipos básicos de instrumentos: a) Instrumentos de Medida: servem para nos dar informações sobre um parâmetro do sistema. As vezes, de forma indireta (lei zero). b) Instrumentos Reservatórios: servem para impor uma determinada condição a um ou mais parâmetros do sistema. A pressão atmosférica, por exemplo, é um reservatório de pressão. Um banho térmico é um reservatório de temperatura. (a) Processo endotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas (b) Processo exotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas (c) Processo endotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas (d) Processo exotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas 12 Exercício: 1. Uma amostra de gás ideal está, inicialmente, num estado definido por p1, V1 e T1. Esta amostra é conduzida, em um processo de uma única etapa, a um estado definido por p2, T2 e V2. Feito isso, o estado inicial do sistema é regenerado, mas por um caminho diferente do primeiro processo. Dentre as funções abaixo, diga qual (is) devem ser iguais a zero para este processo: a) DV b) Dp c) DT d) q e) w f) DU Trabalho • Calor é o fluxo de energia movida por uma diferença de temperatura • TRABALHO é o fluxo de energia motivado por qualquer outra força motriz. 13 Transferência de Energia por Trabalho: Aumento do movimento ordenado das partículas Esta transferência de energia requer uma conexão mecânica entre o sistema e a vizinhança Exemplo: tipos de trabalho ConcentraçãoQuímico VoltagemElétrico PressãoHidráulico TorqueEixo diferencial Força físicaMecânico Força motrizTrabalho 14 Trabalho Mecânico F FD x Trabalho Mecânico [ ] [ ] xF xxF xF dxF dxFW x x x x x x D= -= = = = ò ò 12 2 1 2 1 2 1 15 Trabalho Hidráulico Dx p pF A DV p = const F Vp xA A F xFW D= D= D= Expansão de um gás 16 Considere que um gás se expande contra pressão constante de 1,75atm de 2,00L até 5,50L. Calcule o trabalho para o processo. Expresse o valor em Joules. Expansão de um gás atmLw LatmVpw ext .13,6 )50,3)(75,1( -= -=D-= Como converter L.atm para Joules?! Simples: basta multiplicar por (R/R)! Jw molKatmL molKJ atmLw molKatmLR molKJR 621 11 11 11 11 ...0820574,0 .311447,8 ).13,6( ...0820574,0 ..31447,8 -= -- -- -- -- -= = = Exercício • Um gás ideal é contido em um sistema fechado. Sob pressão constante, o recipiente é comprimido de V1 a V2; derive a equação para o trabalho em termos da constante universal dos gases e temperatura. 17 Solução W = p(V2 – V1) = (nRT2 – nRT1) = nR(T2 – T1) Diga, para cada situação, se há trabalho realizado pelo sistema, sobre o sistema ou se nenhum trabalho é realizado. Exercício (A) Um balão expande enquanto um pequeno pedaço de gelo seco sublima dentro do balão. (balão=sistema) R. Já que o volume do balão aumenta, não há dúvida de que ele está realizando trabalho. O trabalho é realizado pelo sistema. (B) As portas do compartimento de carga do trem espacial são abertas no Espaço, liberando um pouco da atmosfera residual. (compartimento de carga=sistema) R. As portas se abrem para o vácuo, portanto trata-se de uma expansão livre (contra pressão nula). Nenhum trabalho é realizado. 18 Diga, para cada situação, se há trabalho realizado pelo sistema, sobre o sistema ou se nenhum trabalho é realizado. Exercício (C) O CHF2Cl, um gás refrigerante, é comprimido no ar- condicionado, para ser liquefeito. (CHF2Cl = sistema) R. Já que o volume do CHF2Cl diminui quando é comprimido, trabalho é realizado sobre o gás. O trabalho é realizado sobre o sistema. (D) Uma lata de tinta spray é descarregada contra uma parede. (lata = sistema) R. A lata não muda de volume. Se a lata for o sistema, então: Nenhum trabalho é realizado. O trabalho é realizado pelo próprio spray, que aumenta seu volume contra a pressão atmosférica constante. exerc ício! Mostre matematicamente que o trabalho não é uma funçao de estado. Considere, como exemplo, o trabalho realizado por um gás que vai de um estado de equilíbrio {P1, V1, T1} para outro estado definido por {P2, V2, T1}, por dois caminhos diferentes. Expresse o trabalho como função das variáveis P e V para ambos os caminhos. 19 Calor e Trabalho: O experimento de Joule. Mgh = m.c.(T-T0) EXEMPLO Experimental: •Massa do bloco M=50 kg •Massa de água m=100 g=0.10 kg •Altura h=1 m •Temperatura inicial T0=20ºC •Temperatura final T=21.2ºC VALOR CORRETO: 1 cal = 4,184 J 20 Exercício: 1. Mostre que o trabalho não é uma função de estado e dependedo caminho percorrido. Utilize, como exemplo, o trabalho de expansão de um gás por dois caminhos diferentes. Qual seria o valor para cada uma das variáveis abaixo? a) DV b) DP c) DT d) q e) w f) DU http://demoroom.physics.ncsu.edu /html/demos/88.html Imagine… • Um homem palito (stickman – o nosso sistema) foi coberto com marshmallow e posto numa frasco vedado. • O que acontece se vácuo for feito na jarra? Por que? • Qual foi o tipo predominante de trabalho envolvido neste processo? 21 Solução marshmallow.mov O que é calor? 22 Calor • CALOR é o fluxo de energia resultante de uma diferença de temperatura. • NOTA: Calor e Temperatura não são a mesma coisa! Escalas de Temperatura Conversões entre escalas FTT FTT TT F CF C o o 67.459 5 9 32 5 9 15.273 -= += -= 23 Transferência de Energia por Calor: Aumento do movimento caótico das partículas Esta transferência de energia requer uma diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança 24 Exemplo de transferência de energia sob a forma de calor T = 100oC T = 0oC Temperatura Medida no bastão calor Átomos de Cu Bastão de Cu Água quente Água fria Se apagarmos a chama, o fluxo de calor na barra se interrompe instantaneamente? Se não, quando o fluxo de calor é interrompido (q=0)? Trocas de Calor 25 Trocas de Calor em um automóvel Trocas de Calor em um automóvel 26 “[A law] is more impressive the greater the simplicity of its premises, the more different are the kinds of things it relates, and the more extended its range of applicability. Therefore, the deep impression which classical thermodynamics made on me, it is the only physical theory of universal content which I am convinced, that within the framework of applicability of it basic concepts will never be overthrown.” [Albert Einstein, quoted in M.J. Klein, “Thermodynamics in Einstein’s Universe”, in Science, 157 (1967), p. 509 and in Isaac Asimov’s Book of Science and Nature Quotations, p. 76.] As leis Termodinâmicas: A energia do Universo é contante A energia interna de um sistema isolado é constante 27 As leis Termodinâmicas. O raciocínio termodinâmico se baseia em três leis. Duas delas são princípios universais que já fazem parte do senso comum: a) A Energia do Universo é Constante b) A entropia do universo está aumentando Primeira Lei da Termodinâmica > Lei da conservação da energia: a energia interna é uma função de estado. Para irmos de um estado 1 a um estado 2, a variação de energia DU independe do caminho escolhido. A energia interna de um sistema isolado é constante DU = q + w Variação na energia interna do sistema Calor trocado pelo sistema Trabalho realizado pelo sistema 28 29 Alguns dos componentes da Energia Interna U Primeira Lei da Termodinâmica 000pAVA=pBVBq=0Adiabático, expansão livre CV(TB-TA)0CV(TB-TA)pAVA g= pBVB gq=0Adiabático -p(VB-VA)Cp(TB-TA)Cv(TB-TA)TA/VA=TB/VBp=const.Isobárico -nRTln(VB/VA)nRTln(VB/VA)0pAVA=pBVBT=const.Isotérmico 0Cv(TB-TA)CV(TB-TA)TA/pA=TB/pBV=const.Isocórico wqDURelação A,BCondiçãoProcesso Processos Termodinâmicos 30 Trabalho e Calor 31 Zn(s) + 2 HCl(aq) à ZnCl2(aq) + H2(g) De que forma a energia deixa o sistema e passa para as vizinhanças? Mg(s) + HCl(aq) Qual é o trabalho realizado pela expansão do gás hidrogênio, em Joules, gerado quando 48,6g de Mg(s) reagem completamente com uma solução aquosa de ácido clorídrico? 32 Como conseguir o máximo de trabalho com o mesmo DV? 1. O sistema faz o maior trabalho quando a pressão externa tem o valor máximo 2. A pressão externa nunca pode ser igual ou maior do que a interna, num trabalho de expansão 3. O máximo trabalho é obtido quando a pressão externa é somente infinitesimalmente menor do que a pressão interna 4. A pressão interna (do gás) num trabalho de expansão não é constante 5. Um sistema que se mantém em equilíbrio mecânico com suas vizinhanças durante todo o estágio de expansão realiza o máximo valor de trabalho possível 6. Em um estado de equilíbrio mecânico, mudanças infinitesimais na pressão resulta em mudanças na direção oposta (também infinitesimal) 7. Uma mudança que pode ser revertida por uma mudança infinitesimal em uma variável é chamada de reversível Wmaximo = Wreversível 33 Wmaximo = Wreversível Wmaximo = Wreversível 34 ò-= 1 2 V V pdVw ÷÷ ø ö çç è æ -= -= -= -= -= ò ò ò 1 2ln )( 2 1 2 1 2 1 V V nRTw isotérmico V dV nRTw dV V nRT w pdVw pdVdw V V V V V V 35 ÷÷ ø ö çç è æ -= 1 2ln V V nRTwrev ØSe V2>V1: o ln é positivo e w é negativo (o sistema perde energia) ØSe V2<V1: o ln é negativo e o trabalho é positivo (o sistema ganha energia ØQuanto maior a temperatura, maior será o trabalho para uma mesma variação de volume. Wmaximo = Wreversível 36 Exercício Calcule o trabalho feito quando 1,0 mol de Ar(g) confinado em um cilindro de 1,0 dm3 a 25°C expande isotermicamente e reversivelmente a 2,0dm3. 04. A droga psicotrópica mais utilizada pelos humanos é o etanol, que, no Brasil, é vendido livremente sob a forma de soluções aquosas diluídas, como na cerveja, vinho, espumantes, etc. ou mais concentradas (como no whisk, cachaça, vodka e outros destilados). A temperatura de ebulição do etanol é de 78,5°C e o seu DvapH°(l) é de 38,56 kJ.mol-1. Num experimento, aqueceram-se 460 g de etanol, inicialmente a 20°C, até a sua completa vaporização. (Cp.m(etanol,l)=112,5 J.K-1.mol-1) (a) Calcule o calor necessário para este processo. (b) Calcule o trabalho w produzido neste processo. (c) Calcule a variação de energia interna DU para este processo. Questão de PROVA: 20052.QMC5405.T529 37 Próxima aula ENTALPIA: uma função de estado igual a qp t.ma.d.sa #6 Exercícios ATKINS Capítulo Dois (7a Edição): Exercícios Numéricos: 2.9(a) + 2.10(a) + 2.12(a) + 2.12(b) Entregar: 05/junho
Compartilhar